DE4132584C2 - Electrolyte / electrode arrangement for a solid electrolyte fuel cell - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Elektrolyt/Elektroden-Anordnung, die in einer Festelektrolyt-Brennstoffzelle verwendet wird, und insbesondere eine solche Anordnung des sogenannten Substrataufbaus, bei dem ein dünnes, flaches Festelektrolytelement und dünne, flache Elektroden auf ein dickes, poröses Substrat (Träger) aufgebracht werden.The invention relates to an electrolyte / electrode arrangement, that in a solid electrolyte fuel cell is used, and in particular such an arrangement of the so-called substrate structure, in which a thin, flat Solid electrolyte element and thin, flat electrodes be applied to a thick, porous substrate (carrier).
Festelektrolyt-Brennstoffzellen sind Brennstoffzellen, die ein Festelektrolytelement verwenden, etwa aus Zirkoniumdioxid, damit die Brennstoffzelle bei hohen Temperaturen, beispielsweise im Bereich von etwa 800 bis etwa 1000°C, betrieben werden kann. Verglichen mit anderen bekannten Arten von Brennstoffzellen, treten bei der Festelektrolyt- Brennstoffzelle keine Probleme durch Retention und Korrosion des Elektrolyten auf, und es besteht keine Notwendigkeit für einen Katalysator zur Verminderung irgendeiner Aktivierungsüberspannung während des Betriebs.Solid electrolyte fuel cells are fuel cells who use a solid electrolyte element, for example made of zirconium dioxide, so that the fuel cell at high temperatures, for example in the range of about 800 to about 1000 ° C, can be operated. Compared to other known ones Types of fuel cells that occur in solid electrolyte Fuel cell no problems due to retention and corrosion of the electrolyte, and there is no need for a catalyst for reduction any activation surge during operation.
Zwei Arten planarer Brennstoffzellen sind entwickelt worden. Die eine hat einen herkömmlichen dünnen Dreischichtaufbau (Anode/Elektrolyt/Kathode), den man den selbsttragenden Aufbau nennt. Bei der anderen handelt es sich um einen neuen, Substrataufbau genannten Typ, bei dem ein dünnes, flaches Festelektrolytelement und eine dünne, flache Kathode auf ein dickes, poröses Anodensubstrat aufgebracht werden. Der selbsttragende Aufbau zeichnet sich durch eine höhere Energiedichte als der Substrataufbau aus, da bei letzterem das dicke Substrat die Gasdiffusion behindert, was die Stromdichte beschränkt. Die dünne Elektrode des selbsttragenden Aufbaus behindert die Gasdiffusion nicht. Ihr dünner Aufbau ist jedoch mechanisch so schwach, daß er keine großen Zellenflächen erlaubt und die maximale Elektrolytplattengröße auf etwa 20 × 20 cm bei einer Dicke von 0,2 bis 0,3 mm beschränkt ist. Daher ist der selbsttragende Aufbau auf Anwendungen im militärischen Bereich oder im Raumfahrtbereich beschränkt, wo kleine, kompakte Energiequellen hoher Energiedichte erforderlich sind.Two types of planar fuel cells have been developed. One has a conventional thin three-layer structure (Anode / electrolyte / cathode), which is the self-supporting Structure calls. The other is one new type of substrate called a structure, in which a thin flat solid electrolyte element and a thin, flat one Cathode applied to a thick, porous anode substrate will. The self-supporting structure is characterized by a higher energy density than the substrate structure, because at the latter the thick substrate prevents gas diffusion, which limits the current density. The thin electrode of the self-supporting structure does not hinder gas diffusion. However, their thin structure is mechanically so weak that it no large cell areas allowed and the maximum electrolyte plate size to about 20 × 20 cm with a thickness of 0.2 to 0.3 mm is limited. Therefore, the self-supporting Building on applications in the military or in the Space limited where small, compact energy sources high energy density are required.
Der Substrataufbau erlaubt dagegen die Herstellung großer Elektrolytplatten, da die dicke Anode große, aber dünne Elektrolytplatten tragen kann. Elektrolytplatten von bis zu 40 × 40 cm bei 2 bis 3 mm dicken Anoden sind möglich, wenngleich dabei aus den genannten Gründen die Energiedichte geringer ist als die ähnlicher selbsttragender Aufbauten. Große Elektrolytplatten ermöglichen es daher, Brennstoffzellen großer Kapazität zu bauen, was dem Substrataufbau die Anwendung in Kraftwerken für zentrale oder dezentrale Energieversorgung eröffnet hat. Dennoch bleiben in dieser Hinsicht noch manche Probleme zu lösen.The substrate structure, however, allows the production of large Electrolyte plates because the thick anode is large but thin Can carry electrolyte plates. Electrolyte plates up to 40 × 40 cm with 2 to 3 mm thick anodes are possible, albeit the energy density for the reasons mentioned is less than that of similar self-supporting structures. Large electrolyte plates therefore make it possible to use fuel cells large capacity to build what the substrate structure the use in power plants for central or decentralized Energy supply has opened. Still stay in this Respect to solve some problems.
Fig. 2 ist eine Explosionsdarstellung einer herkömmlichen Elektrolyt-/Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle des Substrataufbaus. Bei dieser Anordnung sind ein dünnes, flaches Elektrolytelement 2 und eine dünne, flache Kathode 3 auf ein dickes Anodensubstrat 1 aufgebracht. Eine alternative Gestaltung unter Verwendung einer dicken, porösen Kathode als Kathodensubstrat ist möglich, wenn die poröse Kathode eine ausreichende mechanische Festigkeit hat. Das zugleich als Anode dienende Anodensubstrat 1 ist ein poröses Substrat mit Rippen und besteht aus einem Elektrolyten wie etwa Zirkoniumdioxid. Ein elektrisch leitendes Material aus Nickel oder einer Nickel-Zirkoniumdioxid-Metallkeramik ist in das poröse Substrat eingelagert, um diesem in seiner Dickenrichtung elektrische Leitfähigkeit zu verleihen. Die Kathode 3 besteht aus Lanthanmanganit, LaMnO₃. Für das Festelektrolytelement 2 wird üblicherweise mit Yttriumoxid stabilisierendes Zirkoniumdioxid YSZ, verwendet. Fig. 2 is an exploded view of a conventional electrolyte / electrode assembly of a fuel cell of the substrate structure. In this arrangement, a thin, flat electrolyte element 2 and a thin, flat cathode 3 are applied to a thick anode substrate 1 . An alternative design using a thick, porous cathode as the cathode substrate is possible if the porous cathode has sufficient mechanical strength. The anode substrate 1 , which also serves as the anode, is a porous substrate with ribs and consists of an electrolyte such as zirconium dioxide. An electrically conductive material made of nickel or a nickel-zirconium dioxide metal ceramic is embedded in the porous substrate in order to give it electrical conductivity in its thickness direction. The cathode 3 consists of lanthanum manganite, LaMnO₃. For the solid electrolyte element 2 , zirconium dioxide YSZ stabilizing with yttrium oxide is usually used.
Die so erhaltene Elektrolyt-/Elektroden-Anordnung wird gemäß Darstellung in Fig. 2 zur Bildung einer Einheitszelle mit einem gerippten Verbindungsteil zusammengefügt. Das Verbindungsteil wird von einem Kathodensubstrat 4 aus LaMnO₃ und einem Separator 5 aus La(Ca)CrO₃ gebildet. Der Separator 5 ist als mit Calcium dotierte Schicht auf dem Kathodensubstrat 4 ausgebildet. Ein Brennstoffzellenstapel oder -block wird in bekannter Weise dadurch hergestellt, daß man abwechselnd die Elektrolyt-/Elektroden-Anordnung und den Separator anordnet und an den Seiten des Stapels Brennstoff- und Luftverteiler anbringt.The electrolyte / electrode arrangement thus obtained is assembled as shown in FIG. 2 to form a unit cell with a ribbed connecting part. The connecting part is formed by a cathode substrate 4 made of LaMnO₃ and a separator 5 made of La (Ca) CrO₃. The separator 5 is designed as a calcium-doped layer on the cathode substrate 4 . A fuel cell stack or block is produced in a known manner by alternately arranging the electrolyte / electrode arrangement and the separator and attaching fuel and air distributors to the sides of the stack.
Herkömmlicherweise werden das Anodensubstrat 1 und das Kathodensubstrat 4 aus Nickeloxid-Zirkoniumdioxid-(NiO-YSZ)-Pulver und Lanthanmanganit-(LaMnO₃-)Pulver als Rohmaterialien für die jeweiligen Teile hergestellt. Ihre Teile werden durch Pelletisierformen, Schichtformen, Extrusionsformen oder kaltisostatisches Presssen und durch Sintern in oxidierender oder reduzierender Atmosphäre geformt. Gewöhnlich wird das NiO-YSZ-Anodensubstrat innerhalb einer Brennstoffzelle während des Betriebs durch eine Brennstoffgasströmung reduziert.Conventionally, the anode substrate 1 and the cathode substrate 4 are made of nickel oxide-zirconia (NiO-YSZ) powder and lanthanum manganite (LaMnO₃) powder as raw materials for the respective parts. Your parts are formed by pelletizing, layering, extrusion molding or cold isostatic pressing and by sintering in an oxidizing or reducing atmosphere. Usually, the NiO-YSZ anode substrate within a fuel cell is reduced during operation by a fuel gas flow.
Das NiO-YSZ-Anodensubstrat unterliegt einer 5 bis 6%igen Volumenverminderung infolge dieser Reduktion. Diese Kontraktion wird selbst dann beobachtet, wenn der Ni-Gehalt auf annähernd 30 Vol.-% vermindert wird, an welchem Punkt die elektrische Leitfähigkeit während der Reduktion sichergestellt ist. Wenn eine dichte YSZ-Festelektrolytschicht auf diesem NiO-YSZ-Anodensubstrat ausgebildet wird, tritt das Problem auf, daß die YSZ-Schicht infolge der Änderung des NiO-Volumens während der Reduktion Sprünge bekommt, die schließlich zu einer Wölbung und zu Sprüngen im Elektrodensubstrat selbst führen. Im Fall eines NiO-YSZ- Anodensubstrats mit einem Durchmesser von wenigstens 100 mm treten auch im Substrat selbst einfach durch die Ausbildung der YSZ-Schicht Sprünge auf. Dies weist darauf hin, daß das poröse Anodensubstrat nicht in der Lage ist, die Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des NiO- YSZ von (12 bis 14) × 10-6/°C (30-1000°C in Luft) und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Festelektrolytelements YSZ von 10,5 × 10-6/°C zu absorbieren.The NiO-YSZ anode substrate undergoes a 5 to 6% volume reduction due to this reduction. This contraction is observed even when the Ni content is reduced to approximately 30% by volume, at which point the electrical conductivity is ensured during the reduction. When a dense YSZ solid electrolyte layer is formed on this NiO-YSZ anode substrate, there arises a problem that the YSZ layer cracks due to the change in the NiO volume during the reduction, which eventually leads to warpage and cracks in the electrode substrate itself to lead. In the case of a NiO-YSZ anode substrate with a diameter of at least 100 mm, cracks also occur in the substrate itself simply by the formation of the YSZ layer. This indicates that the porous anode substrate is unable to measure the difference between the thermal expansion coefficient of the NiO-YSZ of (12 to 14) × 10 -6 / ° C (30-1000 ° C in air) and the thermal Expansion coefficient of the solid electrolyte element YSZ of 10.5 × 10 -6 / ° C to absorb.
Die oben erwähnte Volumenverminderung oder Kontraktion zeigt sich auch, wenn die Kathode als das Substrat für den Elektrolyt verwendet wird. Auch das LaMnO₃-Kathodensubstrat entwickelt eine starke Volumenverminderung. Wenn eine dichte YSZ-Schicht auf diesem LaMnO₃-Kathodensubstrat ausgebildet wird, entwickeln sich in der YSZ-Festelektrolytschicht Sprünge aufgrund der Änderung des LaMnO₃-Volumens, die schließlich zur Wölbung und zu Sprüngen im Elektrodensubstrat selbst führen. Dies zeigt, daß das poröse Kathodensubstrat nicht in der Lage ist, den Unterschied zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von LaMnO₃ von 12 × 10-6/°C (30-1000°C in Luft) und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Festelektrolytelements YSZ von 10,5 × 10-6/°C zu absorbieren.The above-mentioned volume reduction or contraction also shows up when the cathode is used as the substrate for the electrolyte. The LaMnO₃ cathode substrate also developed a strong volume reduction. If a dense YSZ layer is formed on this LaMnO₃ cathode substrate, cracks develop in the YSZ solid electrolyte layer due to the change in the LaMnO₃ volume, which ultimately lead to curvature and cracks in the electrode substrate itself. This shows that the porous cathode substrate is unable to differentiate between the thermal expansion coefficient of LaMnO₃ of 12 × 10 -6 / ° C (30-1000 ° C in air) and the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte element YSZ of 10.5 × 10 -6 / ° C to absorb.
Die Druckschrift EP-A 0 105 592 betrifft einen elektrochemischen Kraftgenerator, in dem ein Paar flacher Elektroden (die in Fig. 2 des Dokuments als "25" und "29" bezeichnet sind) im Abstand voneinander angeordnet sind und ein Festelektrolytelement ("26") sandwichartig zwischen den Elektroden eingelagert ist. Sowohl das Anodenmaterial als auch das Kathodenmaterial sind poröse Materialien. Jedoch können die jeweiligen Elektroden- Katalysatorschichten, die aus einem Metall bestehen, als elektrisch leitendes Material kaum beschrieben werden als "in das poröse Material eingelagert", wie es in der vorliegenden Erfindung der Fall ist.EP-A 0 105 592 relates to an electrochemical power generator in which a pair of flat electrodes (which are referred to in FIG. 2 of the document as "25" and "29") are arranged at a distance from one another and a solid electrolyte element ("26" ) is sandwiched between the electrodes. Both the anode material and the cathode material are porous materials. However, the respective electrode catalyst layers made of a metal can hardly be described as an electroconductive material as "embedded in the porous material" as is the case in the present invention.
In dem Dokument US-A 4 950 562 werden Brennstoff-Elektrolytzellen offenbart, in denen als Elektrolytmaterial mit Yttrium stabilisiertes Zirkoniumdioxid verwendet wird, als Kathodenmaterial beispielsweise Lanthan-Strontium-Manganit verwendet wird, und als Anodenmaterial ein Ni-ZrO₂-Cermet verwendet wird, wie dies bereits im Stand der Technik vor diesem Dokument bekannt war. Die thermischen Expansionskoeffizienten der einzelnen Teile der Brennstoffzelle sollten gemäß der in der US-A 4 950 562 offenbarten Lehre möglichst nahe beieinander liegen, um eine verbesserte und zuverlässigere Brennstoffzelle zu schaffen. Dies wird gemäß dieser Druckschrift dadurch erreicht, daß der sogenannte "interconnector" mit einer Schicht überzogen wird, die aus einem Verbund-Metalloxid des Perovskit-Typs besteht.Document US-A 4 950 562 discloses fuel electrolyte cells in which zirconium dioxide stabilized with yttrium is used as the electrolyte material, as cathode material for example, lanthanum strontium manganite is used, and as an anode material a Ni-ZrO₂ cermet is used, as already in the prior art was known before this document. The thermal expansion coefficients of each Portions of the fuel cell should follow the teachings disclosed in US-A 4,950,562 are as close as possible to one another to make an improved and more reliable fuel cell to accomplish. This is achieved according to this document in that the so-called "interconnector" is coated with a layer made of a composite metal oxide of the Perovskite type exists.
Auch die Druckschrift US-A 4 562 124 ist mit der Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Elektrodenmaterials an die der anderen Komponenten einer Festelektrolyt-Brennstoffzelle befaßt. Die in bezug auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der anderen Komponenten der Brennstoffzelle angepaßten Materialien sind jedoch die Kathodenmaterialien. Aus Spalte 1, Zeilen 51 ff., sowie Spalte 2, Zeilen 53 ff. und Anspruch 1 der Druckschrift ergibt sich, daß das Material der Kathode Lanthan-Manganit oder Lanthan-Chromit ist, in dem eine geringe Menge Lanthan durch Cer ersetzt ist. Der Ersatz des Lanthans durch Cer reduziert den thermischen Ausdehnungskoeffizienten, so daß er mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers oder des Elektrolytmaterials übereinstimmt.The publication US-A 4 562 124 is also with the adaptation of the thermal expansion coefficient of the electrode material to that of the other components of a solid electrolyte fuel cell deals. The in relation to the coefficient of thermal expansion the thermal expansion coefficients of the other components of the fuel cell however, adapted materials are the cathode materials. From column 1, rows 51 ff., As well as column 2, lines 53 ff. And claim 1 of the document, it follows that the material of the cathode is lanthanum manganite or lanthanum chromite, in which a small Amount of lanthanum is replaced by cerium. Replacing the lanthanum with cerium reduces the thermal expansion coefficient, so that it matches the thermal expansion coefficient of the carrier or the electrolyte material.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben erwähnten Probleme zu lösen und eine Elektrolyt/Elektroden-Anordnung ohne Sprünge dadurch zu schaffen, daß ein Elektrodensubstrat ausgebildet wird, das thermisch mit dem Festelektrolytelement in der Einheit kompatibel ist. Aufgabe der Erfindung ist auch, eine Elektrolyt/Elektroden-Anordnung zu schaffen, in der Festelektrolytelement und poröse Matrix zur Vermeidung von Sprüngen Bestandteile mit im wesentlichen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. The object of the present invention is to achieve the above-mentioned Solving problems and an electrolyte / electrode arrangement without creating cracks in that an electrode substrate is formed, the thermal with the solid electrolyte element is compatible in the unit. Task of Another invention is an electrolyte / electrode arrangement to create in the solid electrolyte element and porous matrix to avoid jumps, components with essentially the same thermal expansion coefficient exhibit.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Elektrolyt/Elektroden- Anordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by an electrolyte / electrode Arrangement solved according to claim 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 gekennzeichnet.Advantageous developments of the invention are in the subclaims 2 to 6 marked.
Durch eine Optimierung der Zusammensetzung des Elektrodensubstrats, so daß dieses wenigstens einen gleichen chemischen Bestandteil wie der Festelektrolyt und ein elektrisch leitendes Material enthält, kann das Elektrodensubstrat thermisch an das Festelektrolytelement in der Einheitszelle angepaßt werden, während die Leitfähigkeit des Elektrodensubstrats erhöht wird.By optimizing the composition of the electrode substrate, so this at least one same chemical Component like the solid electrolyte and a Contains electrically conductive material, the electrode substrate thermally to the solid electrolyte element in the unit cell to be adjusted while the conductivity of the electrode substrate is increased.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are described below the drawings explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Elektrolyt/Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle mit Substrataufbau gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 1 is a perspective exploded view of an electrolyte / electrode assembly of a fuel cell with a substrate structure according to an embodiment of the invention;
Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer herkömmlichen Elektrolyt/Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle mit Substrataufbau; Fig. 2 is an exploded perspective view of a conventional electrolyte / electrode assembly of a fuel cell with a substrate assembly;
Fig. 3 die Kristallstruktur des Anodensubstrats gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, aufgenommen mit einem Abtastelektronenmikroskop; FIG. 3 shows the crystal structure of the anode substrate according to an embodiment of the invention, taken with a scanning electron microscope;
Fig. 4 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Menge an zugesetztem groben YSZ oder MSZ Pulver zum Anodensubstrat und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Anodensubstrats; und Fig. 4 is a graph showing the relationship between the amount of added coarse YSZ or MSZ powder to the anode substrate and the thermal expansion coefficient of the anode substrate; and
Fig. 5 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Menge zugesetzten groben YSZ oder MSZ Pulvers zum Anodensubstrat und dem spezifischen Widerstand des Anodensubstrats. Fig. 5 is a graph showing the relationship between the amount of added coarse YSZ or MSZ powder to the anode substrate and the resistivity of the anode substrate.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Elektrolyt/Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle mit Substrataufbau gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist ein flaches Anodensubstrat 7 dadurch hergestellt worden, daß auf einer Seite eines 4 mm dicken, porösen NiO-YSZ-Substrats, das durch Kaltpressen und nachfolgendes Sintern in später erläuterter Weise erhalten wurde, durch maschinelle Bearbeitung interne Rippen ausgebildet wurden. Das poröse Substrat besteht aus Zirkoniumdioxid, das entweder teilweise oder ganz mit Yttriumoxid oder Magnesiumoxid stabilisiert ist, und elektrischen Leitern aus Nickel-Zirkoniumdioxid- Metallkeramik, die in die poröse Matrix eingelagert sind. Das elektrisch leitende Material verleiht dem porösen Substrat in Dickenrichtung des Anodensubstrats eine elektrische Leitfähigkeit. Auf der flachen Seite des Anodensubstrats 7 ist eine flache Anode 6 ausgebildet. Die Anode 6 setzt sich aus Nickeloxid, NiO, und mit 8 Mol-% Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumdioxid, YSZ, in einem Gewichtsverhältnis von 2 : 1 sowie Polyvinylbutyral, PVB, als Bindemittel zusammen. Das PVB wird in Ethanol aufgelöst, und die Bestandteile werden naß vermischt. Der so erhaltene Schlamm wird auf das Anodensubstrat 7 aufgetragen und bei 1400°C gesintert, um die flache Anode 6 auf dem Anodensubstrat 7 zu bilden. YSZ wird kontinuierlich durch Plasmasprühen unter vermindertem Druck zur Bildung eines Festelektrolytelements 8 auf die Anode 6 aufgebracht. Eine flache Kathode 9 wird durch Aufbringen einer Lanthanmanganit-Beschichtung, LaMnO₃ und nachfolgendes Sintern bei 1200°C ausgebildet. Ein Kathodensubstrat 10 wird dadurch hergestellt, daß das gleiche LaMnO₃, das für die Kathode verwendet wird, gepreßt und gesintert wird. Seine Porosität liegt bei 30% und die mittlere Porengröße bei 3 µm. Fig. 1 shows an exploded perspective view of an electrolyte / electrode assembly for a fuel cell with a substrate structure according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, a flat anode substrate 7 was manufactured by machining internal ribs on one side of a 4 mm thick porous NiO-YSZ substrate obtained by cold pressing and subsequent sintering in a manner explained later. The porous substrate consists of zirconium dioxide, which is either partially or completely stabilized with yttrium oxide or magnesium oxide, and electrical conductors made of nickel-zirconium dioxide-metal-ceramic, which are embedded in the porous matrix. The electrically conductive material imparts electrical conductivity to the porous substrate in the thickness direction of the anode substrate. A flat anode 6 is formed on the flat side of the anode substrate 7 . The anode 6 is composed of nickel oxide, NiO, and zirconium dioxide, YSZ, stabilized with 8 mol% yttrium oxide, in a weight ratio of 2: 1, and polyvinyl butyral, PVB, as a binder. The PVB is dissolved in ethanol and the ingredients are mixed wet. The slurry thus obtained is applied to the anode substrate 7 and sintered at 1400 ° C. to form the flat anode 6 on the anode substrate 7 . YSZ is continuously applied to the anode 6 by plasma spraying under reduced pressure to form a solid electrolyte element 8 . A flat cathode 9 is formed by applying a lanthanum manganite coating, LaMnO₃ and subsequent sintering at 1200 ° C. A cathode substrate 10 is made by pressing and sintering the same LaMnO₃ used for the cathode. Its porosity is 30% and the average pore size is 3 µm.
Die so erhaltene Elektrolyt/Elektroden-Anordnung wird gemäß Darstellung in Fig. 1 mit einem gerippten Verbindungsteil zur Bildung einer Einheitszelle zusammengefügt. Das Kathodensubstrat 10 ist mit einem Separator 11 bedeckt, der Lanthan-Calcium-Chromit, La0,7 Ca0,3 CrO₃, enthält, das unter vermindertem Druck durch Plasmasprühen über der porösen Matrix des Kathodensubstrats 10 ausgebildet wird. Ein Brennstoffzellenstapel wird dadurch hergestellt, daß abwechselnd eine Elektrolyt/Elektroden-Anordnung und ein Verbindungsteil gestapelt werden und an den Seiten des Stapels in bekannter Weise Brennstoff- und Luftverteiler angebracht werden.The electrolyte / electrode arrangement thus obtained is assembled as shown in FIG. 1 with a ribbed connecting part to form a unit cell. The cathode substrate 10 is covered with a separator 11 containing lanthanum calcium chromite, La 0.7 Ca 0.3 CrO₃, which is formed under reduced pressure by plasma spraying over the porous matrix of the cathode substrate 10 . A fuel cell stack is produced by alternately stacking an electrolyte / electrode arrangement and a connecting part and attaching fuel and air distributors to the sides of the stack in a known manner.
Herstellungsverfahren für das Elektrodensubstrat gemäß der Erfindung werden nachfolgend anhand von Beispielen im einzelnen erläutert.Manufacturing method for the electrode substrate according to the Invention will hereinafter be described in detail by means of examples explained.
Zuerst wird folgendes grobes Zirkoniumdioxidpulver als das Matrixsubstrat bereitet: Mit 8 Mol-% Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid YSZ wird mittels eines Sprühtrockners granuliert und provisorisch zwei Stunden lang in Luft bei 1500°C gesintert. Es wird dann zum Erhalt eines groben Zirkoniumdioxidpulvers pulverisiert und durch ein Sieb mit einer Öffnungsgröße von 300 µm gegeben. Die durchschnittliche Korngröße des erhaltenen groben Pulvers liegt innerhalb eines Bereichs von 50 bis 100 µm. First, the following coarse zirconia powder is used as the matrix substrate prepares: stabilized with 8 mol% yttrium oxide Zirconium dioxide YSZ is granulated using a spray dryer and provisionally in the air for two hours 1500 ° C sintered. It then becomes a coarse zirconia powder pulverized and passed through a sieve with a Given opening size of 300 microns. The average The grain size of the coarse powder obtained is within in a range from 50 to 100 µm.
Dann wird ein grobes elektrisch leitendes Material wie folgt granuliert: NiO und mit 8 Mol-% Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid YSZ werden im Gewichtsverhältnis 2 : 1 abgewogen und naß in eine Lösung von Polyvinyl-Butyral, PVB, und Polyethylenglykol (PEG) als Bindemittel in Ethanol eingemischt. Das oben erwähnte grobe YSZ-Pulver wird der Mischung zugesetzt, diese weiter naß vermischt, stehen gelassen, und dann erhitzt und getrocknet. Das so erhaltene Pulver wird in eine Form gegeben, die zur Herstellung einer Scheibe bei Raumtemperatur unter einem Druck von 100 N/mm² (1 t/cm²) eine bis drei Minuten gepreßt wird. Die Scheibe wird unter Verwendung eines Brechwerks oder Schneidwerks grob pulverisiert, durch ein Sieb mit einer Öffnungsgröße von 300 µm gegeben und granuliert. Die so erhaltenen Körner werden provisorisch zwei Stunden in Luft bei 1300°C gesintert, und die gesinterten Körner werden wiederum durch ein Sieb mit einer Öffnungsgröße von 300 µm gegeben. Das so erhaltene grobe Pulver wird einer wäßrigen Lösung von Polyvinylalkohol (PVA) und Polyethylenglykol, PEG, als Bindemittel zugesetzt, gerührt und dann erhitzt und getrocknet. Das Pulver, dem die Bindemittel zugesetzt wurden, wird wiederum durch ein Sieb mit Öffnungen von 300 µm gegeben. Das gesiebte Pulver wird in eine Form gegeben und eine bis drei Minuten lang bei Raumtemperatur unter einem Druck von 30 bis 50 N/mm² (300 bis 500 kp/cm²) uniaxial zu einem Substrat gepreßt, das dann zwei Stunden in Luft bei einer Temperatur von 1500°C gesintert wird. Auf diese Weise erhält man ein Anodensubstrat mit einem Durchmesser von 130 mm und einer Dicke von 4 mm, bei dem Ni-YSZ-Metallkeramik als elektrisch leitendes Material in der porösen Matrix aus mit Y₂O₃ stabilisiertem ZrO₂ (YSZ) eingelagert ist.Then a rough electrically conductive material like follows granulated: NiO and stabilized with 8 mol% yttrium oxide Zirconium dioxide YSZ are in a weight ratio of 2: 1 weighed and wet in a solution of polyvinyl butyral, PVB, and polyethylene glycol (PEG) as binders in ethanol mixed in. The coarse YSZ powder mentioned above becomes the Added mixture, mixed this further wet, left standing, and then heated and dried. The so obtained Powder is placed in a mold that is used to make a Disk at room temperature under a pressure of 100 N / mm² (1 t / cm²) is pressed for one to three minutes. The Slice is made using a crusher or Cutting unit roughly pulverized, through a sieve with a Given opening size of 300 microns and granulated. The Grains thus obtained are temporarily stored in two hours Air sintered at 1300 ° C, and the sintered grains are in turn passed through a sieve with an opening size of Given 300 microns. The coarse powder thus obtained is an aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA) and polyethylene glycol, PEG, added as a binder, stirred and then heated and dried. The powder that the binders added through a sieve with openings of 300 µm. The sieved powder is placed in a mold and added for one to three minutes Room temperature under a pressure of 30 to 50 N / mm² (300 to 500 kp / cm²) uniaxially to a substrate then pressed in air at one temperature for two hours of 1500 ° C is sintered. This way you get an anode substrate with a diameter of 130 mm and a thickness of 4 mm in the Ni-YSZ metal ceramic as an electrically conductive material in the porous matrix ZrO₂ (YSZ) stabilized with Y₂O₃.
Fig. 3 zeigt die Kristallstruktur eines auf obige Weise hergestellten Anodensubstrats, aufgenommen mit einem Abtastelektronenmikroskop. Das feine Pulver der elektrischen Leiter, das aus einer Nickel-Zirkoniumdioxid-Metallkeramik besteht, ist in Zwischenräumen der Matrix aus grobem Zirkoniumdioxidpulver verteilt und eingelagert. Die Nickelpfade, die die elektrische Leitfähigkeit im Anodensubstrat bewirken, werden mit der Folge eines erhöhten spezifischen Widerstands abgeschnitten, wenn die Durchschnittskorngröße des feinen NiO-YSZ-Pulvers 10 µm übersteigt. Andererseits läßt sich eine poröse Matrix beim Sintern des feinen Korns nicht erhalten, wenn die durchschnittliche Korngröße des feinen NiO-YSZ-Pulvers weniger als 0,1 µm beträgt. Daher muß der Bereich der Korngröße des NiO-YSZ im Bereich von 0,1 µm bis 10 µm gehalten werden. Fig. 3 shows the crystal structure of an anode substrate made in the above manner, taken with a scanning electron microscope. The fine powder of the electrical conductors, which consists of a nickel-zirconium dioxide metal ceramic, is distributed and stored in the interstices of the matrix made of coarse zirconium dioxide powder. The nickel paths that cause the electrical conductivity in the anode substrate are cut off with the consequence of an increased specific resistance if the average grain size of the fine NiO-YSZ powder exceeds 10 μm. On the other hand, a porous matrix cannot be obtained when the fine grain is sintered if the average grain size of the fine NiO-YSZ powder is less than 0.1 µm. Therefore, the range of the grain size of the NiO-YSZ must be kept in the range of 0.1 µm to 10 µm.
Obwohl bei dem obigen Beispiel die Anode 6 als weitere Schicht über dem Anodensubstrat 7 ausgebildet wird, kann die Anode 6 zur Vereinfachung des Herstellungsverfahrens auch weggelassen werden, da das Anodensubstrat 7 bereits die Funktionen einer Anode einschließt. Das heißt, die Anode 6 ist bereits innerhalb des Anodensubstrats 7 ausgebildet. Das Herstellungsverfahren wird damit fortgesetzt, daß ein YSZ-Elektrolyt aus ZrO₂, das mit 8 Mol-% Y₂O₃ stabilisiert ist, durch Plasmasprühen direkt auf das auf obige Weise erhaltene NiO-YSZ- Anodensubstrat in einer Dicke im Bereich von etwa 100 bis etwa 200 µm aufgebracht wird. Dann wird eine LaMnO₃ Kathodenschicht auf den Elektrolyt aufgebracht. Auf diese Weise erhält man eine Elektrolyt/Elektroden- Anordnung, bei der das Anodensubstrat die Funktionen einer Anode einschließt.Although in the example above the anode 6 is formed as a further layer over the anode substrate 7 , the anode 6 can also be omitted to simplify the manufacturing process since the anode substrate 7 already includes the functions of an anode. That is, the anode 6 is already formed within the anode substrate 7 . The manufacturing process continues with a YSZ electrolyte made of ZrO₂, which is stabilized with 8 mol% Y₂O₃, by plasma spraying directly onto the NiO-YSZ anode substrate obtained in the above manner in a thickness in the range of about 100 to about 200 microns is applied. Then a LaMnO₃ cathode layer is applied to the electrolyte. In this way, an electrolyte / electrode arrangement is obtained in which the anode substrate includes the functions of an anode.
Mit Magnesiumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid, MSZ, das aus einem groben Zirkoniumdioxidpulver, mit 9 Mol-% Magnesiumoxid, MgO, teilweise stabilisiert, besteht, wird provisorisch für etwa zwei Stunden bei 1600°C gesintert, durch ein Sieb mit einer Öffnungsgröße von 300 µm gegeben und zu einer durchschnittlichen Korngröße im Bereich zwischen 50 und 100 µm granuliert. Unter Verwendung des gleichen Verfahrens wie beim Beispiel 1 wird ein Anodensubstrat 7 mit einem Durchmesser von 130 mm und einer Dicke von 3 mm hergestellt, indem ein Ni-YSZ-Metallkeramikmaterial als elektrisch leitendes Material in die aus mit MgO stabilisiertem ZrO₂ bestehende poröse Matrix eingelagert ist.Magnesium oxide stabilized zirconium dioxide, MSZ, which consists of a coarse zirconium dioxide powder, partially stabilized with 9 mol% magnesium oxide, MgO, is temporarily sintered for about two hours at 1600 ° C, passed through a sieve with an opening size of 300 µm and granulated to an average grain size in the range between 50 and 100 microns. Using the same method as in Example 1, an anode substrate 7 with a diameter of 130 mm and a thickness of 3 mm is produced by incorporating a Ni-YSZ metal ceramic material as an electrically conductive material in the porous matrix consisting of MgO-stabilized ZrO₂ .
Der mittlere lineare thermische Ausdehnungskoeffizient von Nickeloxid, NiO, beträgt etwa 15 × 10-6/°C in Luft, und zwar von Raumtemperatur bis etwa 1000°C, während der thermische Ausdehnungskoeffizient von MSZ etwa 9 × 10-6/°C im gleichen Temperaturbereich beträgt. Daher kann man den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Anodensubstrats an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des mit Yttriumoxid stabilisierten Zirkoniumdioxids, YSZ, des Festkörper-Elektrolytelements von 10,5 × 10-6/°C dadurch anpassen, daß dem NiO eine geeignete Menge MSZ zugesetzt wird.The mean linear coefficient of thermal expansion of nickel oxide, NiO, is about 15 × 10 -6 / ° C in air, from room temperature to about 1000 ° C, while the thermal expansion coefficient of MSZ is about 9 × 10 -6 / ° C in the same Temperature range. Therefore, the coefficient of thermal expansion of the anode substrate can be matched to the coefficient of thermal expansion of the yttria-stabilized zirconia, YSZ, of the solid electrolyte element of 10.5 × 10 -6 / ° C. by adding a suitable amount of MSZ to the NiO.
Fig. 4 zeigt in einer grafischen Darstellung den Zusammenhang zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der Menge von grobem YSZ- oder MSZ-Pulver, das dem Anodensubstrat zugesetzt wird. Während der thermische Ausdehnungskoeffizient von NiO-YSZ ohne Zusatz des groben Pulvers bei 13 × 10-6/°C liegt, kann er auf 11,4 × 10-6/°C gesenkt werden, wenn 50 Massen-% groben YSZ-Pulvers zugesetzt werden. Andererseits kann der thermische Ausdehnungskoeffizient des groben MSZ-Pulvers an den von YSZ angepaßt werden, indem 10 bis 20 Massen-% des groben YSZ- Pulvers zugesetzt werden. FIG. 4 shows a graphical representation of the relationship between the coefficient of thermal expansion and the amount of coarse YSZ or MSZ powder that is added to the anode substrate. While the thermal expansion coefficient of NiO-YSZ is 13 × 10 -6 / ° C without the addition of the coarse powder, it can be reduced to 11.4 × 10 -6 / ° C if 50% by mass of coarse YSZ powder is added will. On the other hand, the thermal expansion coefficient of the coarse MSZ powder can be matched to that of YSZ by adding 10 to 20% by mass of the coarse YSZ powder.
Fig. 5 zeigt in einer grafischen Darstellung den Zusammenhang zwischen der zugesetzten Menge groben YSZ- und MSZ- Pulvers zum Anodensubstrat und dem spezifischen Widerstand des Anodensubstrats. Die Zunahme des spezifischen Widerstands infolge der Zugabe von MSZ ist etwas größer als diejenige infolge der Zugabe von YSZ, aber sowohl YSZ als auch MSZ führen zu einem spezifischen Widerstand von 50 mΩcm oder weniger, wenn die zugesetzte Menge von YSZ oder MSZ im Bereich bis 40 Massen-% liegt. Der Spannungsabfall beim Betrieb der Brennstoffzelle infolge dieses spezifischen Widerstands ist vernachlässigbar. Solange also die zugesetzte Menge groben Zirkonoxidpulvers im Bereich von 5 bis 40 Massen-% liegt, kann man eine thermische Kompatibilität mit YSZ unter Beibehaltung des spezifischen Widerstands auf einem niedrigen Wert erreichen. Fig. 5 shows in a graphical representation the relationship between the added amount of coarse YSZ and MSZ- powder to the anode substrate and the resistivity of the anode substrate. The increase in resistivity due to the addition of MSZ is slightly larger than that due to the addition of YSZ, but both YSZ and MSZ result in a resistivity of 50 mΩcm or less when the amount of YSZ or MSZ added is in the range up to 40 Mass% lies. The voltage drop during operation of the fuel cell due to this specific resistance is negligible. As long as the amount of coarse zirconia powder added is in the range of 5 to 40% by mass, thermal compatibility with YSZ can be achieved while maintaining the specific resistance at a low value.
Nickeloxid, NiO, und mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid, YSZ, werden in einem Gewichtsverhältnis von 2 : 1 abgewogen und zu einer Lösung von PVB, PEG und Dioctylphthalat als Bindemitteln in einem Lösungsmittelgemisch von 60 Massen-% Toluol und 40 Massen-% Isopropylalkohol zugesetzt. Die Bestandteile werden zur Bereitung eines elektrisch leitenden Materials in einer Kugelmühle naß vermischt.Nickel oxide, NiO, and zirconium oxide stabilized with yttrium oxide, YSZ, are in a weight ratio of 2: 1 weighed and to a solution of PVB, PEG and dioctyl phthalate as binders in a solvent mixture of 60% by mass of toluene and 40% by mass of isopropyl alcohol were added. The ingredients are used to prepare an electrically conductive Material wet mixed in a ball mill.
Eine poröse Matrix aus Zirkoniumdioxidfilz wird in eine wäßrige Lösung des NiO-YSZ eingetaucht und dann etwa 10 bis 30 Minuten unter einem Druck annähernd 21 kPa (160 mmHg) in einem Vakuumhandschuhschutzkasten entlüftet. Die Matrix wird dann aus dem Kasten entfernt, auf einen Polyesterfilm gegeben und dann kontinuierlich in dem Handschuhschutzkasten getrocknet. Die Matrix wird dann etwa zwei Stunden in Luft bei einer Temperatur von 1500°C gesintert, wobei man ein Anodensubstrat 7 mit einem Durchmesser von 130 mm und einer Dicke von 3 mm erhält. Auf diese Weise wird ein Anodensubstrat geschaffen, bei dem ein NiO-YSZ-Metallkeramikmaterial als elektrisch leitendes Material in der porösen Matrix aus mit Y₂O₃ stabilisiertem ZrO₂ eingelagert ist. Anstelle eines Filzes können andere Materialien für die Zirkoniumdioxidmatrix verwendet werden, etwa Schwämme, Bienenwaben, Tücher oder Schirme. Durch Einführen einer Zirkoniumdioxidmatrix sind der gleiche spezifische Widerstand und die gleiche thermische Anpassung an YSZ wie beim Beispiel 2 auch bei diesem Beispiel 3 möglich.A porous matrix of zirconia felt is immersed in an aqueous solution of NiO-YSZ and then vented in a vacuum glove box for about 10 to 30 minutes under a pressure of approximately 21 kPa (160 mmHg). The matrix is then removed from the box, placed on a polyester film and then dried continuously in the glove box. The matrix is then sintered in air at a temperature of 1500 ° C. for about two hours, an anode substrate 7 having a diameter of 130 mm and a thickness of 3 mm being obtained. In this way, an anode substrate is created in which a NiO-YSZ metal ceramic material is embedded as an electrically conductive material in the porous matrix made of ZrO₂ stabilized with Y₂O₃. Instead of a felt, other materials can be used for the zirconium dioxide matrix, such as sponges, honeycombs, cloths or umbrellas. By introducing a zirconium dioxide matrix, the same specific resistance and the same thermal adaptation to YSZ as in example 2 are also possible in this example 3.
Obwohl der Elektrolyt bei den vorgenannten Beispielen auf das Anodensubstrat aufgebracht wird, besteht im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, die flache Seite des Kathodensubstrats zu verwenden, wie sich aus dem nachfolgenden Beispiel 4 ergibt.Although the electrolyte in the above examples the anode substrate is applied, exists within the Invention also allows the flat side of the cathode substrate to use as follows from the following Example 4 shows.
Ein Kathodensubstrat 10 wird auf folgende Weise hergestellt: Lanthanoxid, La₂O₃, und Mangancarbonat, MnCO₃, werden in Mengen abgewogen, die zur Bildung von LaMnO₃ ausreichen. Zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von LaMnO₃ wird Strontiumcarbonat, SrCO₃, zugesetzt, so daß man mit Strontium dotiertes Lanthanmanganit erhält. Die resultierende Mischung wird provisorisch 3 Stunden in Luft bei einer Temperatur von 1400°C gesintert. Das Produkt wird 24 Stunden in einer Kugelmühle pulverisiert. Nachdem mittels der Röntgenbeugungsmethode festgestellt wurde, daß das resultierende Pulver eine Perowskitstruktur aufweist, wird wie beim Beispiel 1 grobes YSZ-Pulver zugesetzt, und ferner wird in Wasser gelöster Polyvinylalkohol, PVA, als Bindemittel zugesetzt. Dann wird gerührt und getrocknet. Das das Bindemittel enthaltende Pulver wird mittels eines Siebs mit einer Öffnungsgröße von 300 µm zum Erhalt eines Rohmaterialpulvers gesiebt. Das Rohmaterialpulver wird in eine Form gegeben und 1 bis 3 Minuten bei normaler Temperatur unter einem Duck von 50 bis 100 N/mm² (500 bis 1000 kp/cm²) uniaxial gepreßt. Das geformte Produkt wird fünf Stunden in Luft bei einer Temperatur von etwa 1350°C gesintert. Auf diese Weise erhält man das Kathodensubstrat 10 mit einem Durchmesser von 130 mm und einer Dicke von 4 mm, bei dem ein elektrisch leitendes Material aus Lanthanmanganit in der porösen Matrix aus Zirkoniumdioxid, ganz oder teilweise stabilisiert, eingelagert ist.A cathode substrate 10 is made in the following manner: lanthanum oxide, La₂O₃, and manganese carbonate, MnCO₃, are weighed in amounts sufficient to form LaMnO₃. To increase the electrical conductivity of LaMnO₃, strontium carbonate, SrCO₃, is added so that lanthanum manganite doped with strontium is obtained. The resulting mixture is temporarily sintered in air at a temperature of 1400 ° C for 3 hours. The product is pulverized in a ball mill for 24 hours. After it was determined by the X-ray diffraction method that the resulting powder has a perovskite structure, coarse YSZ powder is added as in Example 1, and polyvinyl alcohol, PVA, dissolved in water is further added as a binder. Then it is stirred and dried. The powder containing the binder is sieved by means of a sieve with an opening size of 300 µm to obtain a raw material powder. The raw material powder is put in a mold and uniaxially pressed for 1 to 3 minutes at normal temperature under a pressure of 50 to 100 N / mm² (500 to 1000 kp / cm²). The molded product is sintered for five hours in air at a temperature of about 1350 ° C. In this way, the cathode substrate 10 is obtained with a diameter of 130 mm and a thickness of 4 mm, in which an electrically conductive material made of lanthanum manganite is completely or partially stabilized in the porous matrix made of zirconium dioxide.
Der mittlere lineare thermische Ausdehnungskoeffizient von La0,85 SrO0,15 MnO₃ ohne Zusatz von grobem Zirkoniumdioxidpulver betrug 11,1 × 10-6/°C in Luft bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 1000°C. Durch Zusatz von 10 Mol-% grobem YSZ-Pulver erhält man dagegen ein Kathodensubstrat 10 mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10,7 × 10-6/°C. Danach wurde für das Festkörper-Elektrolytelement Plasmasprühen von YSZ bei vermindertem Druck ausgeführt, und es traten keine Wölbung oder Sprünge im Substrat auf.The mean linear thermal expansion coefficient of La 0.85 SrO 0.15 MnO₃ without the addition of coarse zirconium dioxide powder was 11.1 × 10 -6 / ° C in air at temperatures from room temperature to 1000 ° C. On the other hand, by adding 10 mol% of coarse YSZ powder, a cathode substrate 10 with a thermal expansion coefficient of 10.7 × 10 -6 / ° C. is obtained. Thereafter, YSZ plasma spraying was carried out at reduced pressure for the solid electrolytic element, and no warpage or cracking occurred in the substrate.
Durch Einführen einer Zirkoniumdioxidmatrix auf der Kathodenseite kann demnach eine Elektrolyt/Elektroden-Anordnung, die mit YSZ thermisch kompatibel ist, erhalten werden.By inserting a zirconia matrix on the cathode side an electrolyte / electrode arrangement, which is thermally compatible with YSZ.
Gemäß der Erfindung wird das elektrisch leitende Material in eine poröse Matrix eingelagert, die sich aus den gleichen Hauptbestandteilen wie das Festelektrolytelement zusammensetzt. Selbst wenn sich das elektrisch leitende Material durch Oxidation oder Reduktion physikalisch ändert, bleibt das Elektrodensubstrat als ganzes mechanisch stabil, da das tragende Element, das heißt die poröse Matrix, stabil ist. Darüber hinaus wird die elektrische Leitfähigkeit des Elektrodensubstrats dadurch erhöht, daß die Zusammensetzung des Elektrodensubstrats, das aus einer porösen Matrix und elektrisch leitendem Material besteht, optimiert wird, während das Elektrodensubstrat thermisch an das Festelektrolytelement in einer Einheitszelle angepaßt ist.According to the invention, the electrically conductive material embedded in a porous matrix made up of the same Main components like the solid electrolyte element put together. Even if the electrically conductive Material physically through oxidation or reduction changes, the electrode substrate remains mechanical as a whole stable because the supporting element, i.e. the porous matrix, is stable. In addition, the electrical conductivity of the electrode substrate is increased in that the Composition of the electrode substrate, which consists of a porous Matrix and electrically conductive material is optimized becomes thermally on while the electrode substrate adapted the solid electrolyte element in a unit cell is.
Claims (6)
ein Paar flacher Elektroden, die voneinander beabstandet sind;
ein Festelektrolytelement, das zwischen den Elektroden eingeschlossen ist und wenigstens einen chemischen Bestandteil enthält, der dem Festelektrolytelement einen bestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten verleiht;
eine poröse Matrix, die wenigstens einen chemischen Bestandteil enthält, der der porösen Matrix den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Festelektrolytelements verleiht, wobei eine der flachen Elektroden auf oder innerhalb einer Seite der porösen Matrix ausgebildet ist, und
ein elektrisch leitendes Material, das in die poröse Matrix eingelagert ist, um dieser in Richtung der Dicke der flachen Elektroden elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, worin das Festelektrolytelement und die poröse Matrix chemische Bestandteile aufweisen, die zum Bewirken der entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten im wesentlichen gleich sind.1. Electrolyte / electrode arrangement for a solid electrolyte fuel cell, comprising:
a pair of flat electrodes spaced from each other;
a solid electrolyte element which is enclosed between the electrodes and contains at least one chemical component which imparts a certain coefficient of thermal expansion to the solid electrolyte element;
a porous matrix containing at least one chemical component that imparts the coefficient of thermal expansion of the solid electrolyte element to the porous matrix, one of the flat electrodes being formed on or within one side of the porous matrix, and
an electrically conductive material embedded in the porous matrix for imparting electrical conductivity to it in the direction of the thickness of the flat electrodes, wherein the solid electrolyte element and the porous matrix have chemical components which are substantially the same for causing the corresponding coefficients of thermal expansion.
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